Τι είναι οι επαγωγείς και τι είναι η επαγωγή;
Οι επαγωγείς είναι πηνία από σύρμα χαλκού που χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία ενός μαγνητικού πεδίου. Αυτό το μαγνητικό πεδίο μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία ηλεκτρικού πεδίου. Η τάση που προκαλείται σε ένα επαγωγέα είναι ανάλογη του ρυθμού μεταβολής του ρεύματος. Οι μετασχηματιστές είναι συσκευές που χρησιμοποιούν επαγωγή για να αυξήσουν ή να μειώσουν την εφαρμοζόμενη τάση.
Μεταξύ 1828 και 1831, ο Michael Faraday διηύθυνε τις χριστουγεννιάτικες διαλέξεις του στο Λονδίνο. Στις διαλέξεις, ο Faraday παρουσίαζε τις γελοιότητες του με χάλκινα σύρματα και μαγνήτες ράβδων. Ο Faraday, σαν ένας σεβαστός μάγος, θα ήταν απέραντη υπερηφάνεια για αυτές τις διαδηλώσεις. Αυτές οι εκθέσεις ήταν τόσο δημοφιλείς που ακόμη και η βασίλισσα δεν μπορούσε να αντισταθεί σε μια επίσκεψη.
Με τη βασίλισσα να είναι παρούσα, ο Faraday αποφάσισε να επιδείξει μια από τις αγαπημένες του πράξεις αποκλειστικά για εκείνη. Τοποθέτησε ένα πηνίο από χάλκινο σύρμα στη μία άκρη του τραπεζιού του συνδεδεμένο με ένα άλλο πηνίο από σύρμα χαλκού τοποθετημένο στην άλλη άκρη. Εκτός από το πιο μακρινό πηνίο, έβαλε μια μικρή πυξίδα στο τραπέζι. Αυτό ήταν το μόνο που χρειαζόταν. Ο Faraday στη συνέχεια όρμησε προς το πρώτο πηνίο και κίνησε έναν μαγνήτη ράβδου πέρα δώθε μέσα του. Ως δια μαγείας, η βελόνα της πυξίδας στο άλλο άκρο ξέφυγε!
Ωστόσο, η βασίλισσα, όντας τόσο ήρεμη όσο οι Βρετανοί, δεν εντυπωσιάστηκε. Ήταν εντελώς ανεπηρέαστη από το πώς η κίνηση ενός μαγνήτη στο ένα άκρο θα μπορούσε να επηρεάσει κατά κάποιο τρόπο την πυξίδα στο άλλο άκρο χωρίς τίποτα άλλο από τον λεπτό αέρα μεταξύ τους. Αμφισβήτησε επιπόλαια τη χρησιμότητα ό,τι είχε μόλις δει, αλλά ο Faraday, όντας τόσο πνευματώδης όσο οι Βρετανοί, αντί να τρομοκρατηθεί, απλώς ρώτησε:«Κυρία, αλλά σε τι χρησιμεύει ένα νεογέννητο μωρό;»
Την ιστορία διηγήθηκε ο μεγαλύτερος αδερφός του Bill Nye σε αυτόν. Ο Bill Nye, ωστόσο, αργότερα ανακάλυψε ότι η ιστορία είχε διακοσμηθεί ελαφρώς. Ο Faraday δεν έδειξε αυτή την πράξη στη βασίλισσα, αλλά στο καθημερινό κοινό του, ανάμεσα στο οποίο μια περίεργη γυναίκα βρέθηκε μπερδεμένη. Ενώ η ιστορία είναι στολισμένος, η ανακάλυψή του δεν είναι. Ο Faraday είχε μόλις ανακαλύψει ότι όχι μόνο ένα κινούμενο ηλεκτρικό πεδίο δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο, αλλά ότι ένα κινούμενο μαγνητικό πεδίο δημιουργεί επίσης ένα ηλεκτρικό πεδίο. Ήταν πραγματικά μνημειώδες:ο ηλεκτρισμός και ο μαγνητισμός είναι θεμελιωδώς αχώριστα.
Ο επαγωγέας
Γνωρίζουμε ότι το ρεύμα σε ένα σύρμα δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο γύρω του, αλλά υπάρχει λόγος για τον οποίο ο Faraday χρησιμοποίησε σύρματα τυλιγμένα σε ένα πηνίο, αντί για σύρματα τεντωμένα σε μήκος. Τα καλώδια που περιελίσσονται σε πολλαπλές στροφές δημιουργούν μεγαλύτερο μαγνητικό πεδίο από τα γραμμικά καλώδια. Ένα τέτοιο πηνίο ονομάζεται επαγωγέας. Ένας επαγωγέας παράγει μεγαλύτερο μαγνητικό πεδίο επειδή συσσωρεύει περισσότερο σύρμα σε μικρότερη περιοχή, πράγμα που σημαίνει περισσότερο ρεύμα και επομένως μαγνητισμό. Αυτή η μαγνητική ενέργεια μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή ισχυρών ηλεκτρομαγνητών.
Ένας επαγωγέας παράγει μεγαλύτερο μαγνητικό πεδίο καθώς συσσωρεύει περισσότερο σύρμα σε μικρότερη περιοχή, δημιουργώντας περισσότερο ρεύμα και υψηλότερο μαγνητισμό.
Όταν ένας επαγωγέας συνδέεται σε μια παροχή συνεχούς ρεύματος, φέρει μαγνητικό πεδίο καθώς το ρεύμα διέρχεται από αυτό. Το ρεύμα που διέρχεται από αυτό δεν φτάνει τη μέγιστη τιμή του αμέσως. Έτσι, ένας λαμπτήρας συνδεδεμένος σε σειρά δεν θα ανάψει αμέσως όπως θα περίμενε κανείς, αλλά μόνο μετά από μια ορισμένη καθυστέρηση. Ομοίως, όταν η παροχή DC είναι απενεργοποιημένη, το ρεύμα δεν φθάνει στο μηδέν αμέσως. Η αποθήκευση και η απελευθέρωση του ρεύματος είναι αργή, πράγμα που σημαίνει ότι υπάρχει καθυστέρηση στην έξοδο του ρεύματος. Εάν αυτό το ρεύμα που απελευθερώνεται δεν επιτρέπεται να εξέρχεται από άλλη πρίζα, όπως ένας λαμπτήρας παράλληλα, το ρεύμα μπορεί να προκαλέσει σπινθήρα στον διακόπτη και να απειλήσει οποιονδήποτε έρχεται σε επαφή μαζί του.
Γράφημα του ρεύματος μέσω ενός επαγωγέα
Η άνοδος και η πτώση του ρεύματος είναι αργή, επειδή ο μοναδικός σκοπός ενός επαγωγέα είναι να παράγει ένα μαγνητικό πεδίο που αντιστέκεται σε οποιαδήποτε αλλαγή στο ρεύμα που διέρχεται από αυτό. Η τάση που προκαλείται σε έναν επαγωγέα είναι ανάλογη του ρυθμού μεταβολής του ρεύματος που ρέει μέσω αυτού. Η σταθερά αναλογικότητας συμβολίζεται με «L» και αναφέρεται ως η αυτεπαγωγή του πηνίου ή το μέτρο της ικανότητάς του να αντιστέκεται σε οποιαδήποτε αλλαγή στο ρεύμα. Αυτό μετριέται σε Henrys (H).
Ουσιαστικά, το μόνο που κάνει ένας επαγωγέας είναι να μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε μαγνητική ενέργεια και στη συνέχεια να μετατρέπει αυτή τη μαγνητική ενέργεια πίσω σε ηλεκτρική ενέργεια. Έτσι, πώς ακριβώς ένας πυκνωτής αποθηκεύει ηλεκτρική ενέργεια, για μια σύντομη περίοδο, ένας επαγωγέας αποθηκεύει μαγνητική ενέργεια.
Ο νόμος της επαγωγής του Faraday
Ωστόσο, αυτό που ανακάλυψε ο Faraday ήταν ότι όχι μόνο ένα ρεύμα προκαλεί ένα μαγνητικό πεδίο σε ένα πηνίο, αλλά θα μπορούσε επίσης να επάγει μια τάση σε ένα πηνίο μετακινώντας έναν μαγνήτη μέσα σε αυτό. Θυμηθείτε ότι δεν είναι απλώς ένας σταθερός μαγνήτης, αλλά ένας κινούμενος μαγνήτης που προκαλεί ηλεκτρισμό. Δεν είναι ένα ανενεργό, αλλά ένα κινούμενο ή μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο μέσα και γύρω από την περιοχή ενός αγωγού, κοινώς γνωστό ως ροή, που δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο μέσα του. Αυτό ονομάζεται νόμος επαγωγής του Faraday.
Σημειώστε ότι η τάση που προκαλείται είναι αρνητική. Το αρνητικό πρόσημο σηματοδοτεί ότι η μεταφορά ενέργειας υπακούει στο νόμο της συνομιλίας της ενέργειας. Αυτό είναι γνωστό ως νόμος του Lenz, σύμφωνα με τον οποίο η επαγόμενη τάση οδηγεί ένα ρεύμα που δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο στην αντίθετη κατεύθυνση από το μαγνητικό πεδίο στο οποίο οφείλει την ύπαρξή του.
Εάν η εξίσωση δεν περιείχε αρνητικό πρόσημο ή το μαγνητικό πεδίο δεν εξουδετερώνει ή δεν αντιστέκεται στο μητρικό μαγνητικό πεδίο, τότε η τάση που προκαλείται δεν θα αυξάνει μόνο με την αύξηση της μητρικής ροής, αλλά και με τη ροή που δημιουργεί το ρεύμα ! Ένα δωρεάν γεύμα! Αυτό θα ήταν σαν να λέμε ότι η μπάλα που κυλάει στο έδαφος δεν θα σταματήσει ποτέ, αλλά θα επιταχυνθεί καθώς η τριβή – αντί να αντιτίθεται στην κίνησή της – θα την ενθάρρυνε!
Η επαγωγή είναι ο λόγος για τον οποίο ένα ηλεκτρικό πεδίο στο πρώτο πηνίο στο τραπέζι προκλήθηκε όταν ο Faraday μετακίνησε έναν μαγνήτη μέσα του. Το πηνίο έφερε ένα ρεύμα που ταξίδεψε στο δεύτερο πηνίο, με αποτέλεσμα να δημιουργήσει γύρω του ένα μαγνητικό πεδίο. Ήταν το μαγνητικό πεδίο που δημιουργήθηκε από αυτό το πηνίο που διατάραξε τη βελόνα.
Το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από το πηνίο (κατά τη διέλευση του ρεύματος μέσω αυτού) επιβεβαιώνεται από την εκτροπή στη βελόνα.
Αυτό που είχε δείξει ο Faraday ήταν βαθύ, αλλά αυτό που έκανε στη συνέχεια ήταν επαναστατικό. Ο Faraday αναρωτήθηκε εάν αυτός ο μηχανισμός θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας από το ένα κύκλωμα στο άλλο… χωρίς καλώδια. Δεν θα μπορούσε να προκληθεί τάση στο δεύτερο πηνίο εάν το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από το πρώτο πηνίο άλλαζε κοντά του;
Η επίτευξη σταθερού ρεύματος στο δεύτερο πηνίο θα απαιτούσε να μετακινούμε τον μαγνήτη συνεχώς μέσα και έξω από το πρώτο πηνίο; Λοιπόν, όχι ακριβώς. Δεν χρειάζεται να παράγει κανείς ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο απαραιτήτως μετακινώντας ακούραστα έναν μαγνήτη. Κάποιος μπορεί επίσης να μετακινήσει το ίδιο το πηνίο ή το ρεύμα σε αυτό.
The Transformer και "The Act's Utility"
Αντί να μετακινεί συνεχώς τον μαγνήτη, ο Faraday συνειδητοποίησε και έδειξε ότι όταν το πρώτο πηνίο συνδέθηκε σε μια τάση τροφοδοσίας και αυτό που μόνιμα ενεργοποιήθηκε και απενεργοποιήθηκε είναι το ρεύμα σε αυτό, το πηνίο δημιουργεί ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο, όπως ακριβώς κάνει ένας κινούμενος μαγνήτης . Αυτό το πεδίο θα προκαλέσει ένα ηλεκτρικό πεδίο στο πηνίο που βρίσκεται δίπλα του, προκαλώντας την αδιάκοπη εκτροπή της βελόνας ενός γαλβανόμετρου που συνδέεται με αυτό το πηνίο. Αυτή, στην πραγματικότητα, είναι η αρχή λειτουργίας ενός μετασχηματιστή.
Εργασία μετασχηματιστή
Οι μετασχηματιστές είναι συσκευές που αυξάνουν ή μειώνουν την τάση που εφαρμόζεται σε άλλο κύκλωμα. Για παράδειγμα, εάν μια τροφοδοσία 200 V μπορεί να είναι υπερβολική για μια μηχανή που λειτουργεί με τροφοδοσία 50 V, ένας μετασχηματιστής που συνδέεται μεταξύ αυτών των τροφοδοτικών θα μπορούσε να επιτύχει αυτή τη μείωση.
Ένας μετασχηματιστής δεν είναι τίποτα άλλο παρά ένας απίστευτα τυλιγμένος επαγωγέας. Λειτουργεί όχι σε DC, αλλά σε παροχή AC. Μια τροφοδοσία εναλλασσόμενου ρεύματος εναλλάσσεται μεταξύ της πηγής και του προορισμού της τροφοδοσίας, προσομοιάζοντας το διαρκές εφέ "ενεργοποίησης και απενεργοποίησης".
Στον πρώτο κύκλο τροφοδοσίας AC, το ρεύμα μέσω αυτού αυξάνεται, όπως συμβαίνει σε κάθε επαγωγέα, προκαλώντας έξαρση ενός μαγνητικού πεδίου. Ωστόσο, όταν το ρεύμα εναλλάσσεται στον δεύτερο κύκλο ή όταν αλλάζει κατεύθυνση, η κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου του επαγωγέα αλλάζει μαζί του. Καθώς το ρεύμα εναλλάσσεται συνεχώς, το μαγνητικό πεδίο δεν είναι σε θέση να κορεσθεί, καθώς αναγκάζεται να εναλλάσσεται αντανακλαστικά.
Αυτό το μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο έχει, σε έναν άλλο επαγωγέα, την ίδια επίδραση με έναν κινούμενο μαγνήτη. Η ροή θα προκαλέσει μια τάση σε αυτό. Ωστόσο, μπορεί κανείς να συμπεράνει από τον τύπο του Faraday ότι αυτή η τάση είναι ανάλογη με τον αριθμό των στροφών του επαγωγέα. Αυτό σημαίνει ότι η τάση μπορεί να αυξηθεί εάν ο δεύτερος επαγωγέας έχει περισσότερες στροφές από τον πρώτο. Ένας τέτοιος μετασχηματιστής ονομάζεται μετασχηματιστής ανόδου. Ομοίως, η τάση μπορεί να μειωθεί χρησιμοποιώντας έναν μετασχηματιστή με λιγότερες στροφές από τον πρώτο. Αυτό ονομάζεται μετασχηματιστής υποβάθμισης.
Επάνω:μετασχηματιστής ανύψωσης. Κάτω:μετασχηματιστής υποβιβασμού
Όσον αφορά την απάντηση στην ερώτηση της γυναίκας, οι επαγωγείς είναι απαραίτητοι για τον άνθρωπο. Χωρίς αυτά, κινητήρες, γεννήτριες, τηλέφωνα, φορητοί υπολογιστές, tablet, τηλεχειριστήρια… το σύνολο των τεχνολογιών ασύρματης επικοινωνίας, συμπεριλαμβανομένου του ασύρματου διαδικτύου και επομένως των μιμιδίων, θα ήταν αδιανόητο. Χωρίς επαγωγείς, η μετατροπή των θανατηφόρων τάσεων από γεννήτριες ρεύματος σε ασφαλείς, οικιακές τάσεις θα ήταν αδύνατη. Στην πραγματικότητα, χωρίς τη γνώση της επαγωγής, δεν θα μπορούσε κανείς να έχει δημιουργήσει μια τάση εναλλασσόμενου ρεύματος! Ο Faraday ήταν ένας οραματιστής, μια ιδιοφυΐα, μίλια μπροστά από την εποχή του.
